Se rapprocher de la mesure de la gravité quantique – Physics World

La première technique capable de mesurer l’attraction gravitationnelle sur une particule de seulement quelques microns de diamètre pourrait contribuer à la recherche d’une théorie quantique de la gravité – un objectif de longue date en physique. La nouvelle expérience utilise un dispositif d'interférence quantique supraconducteur (SQUID) pour détecter la force exercée sur la particule à des températures ultra-basses et supprime les vibrations susceptibles d'interférer avec le mouvement dû à la gravité.

La gravité diffère des autres forces fondamentales car elle décrit une courbure dans l’espace-temps plutôt que de simples interactions entre objets. Cette différence explique, en partie, pourquoi les physiciens théoriciens ont longtemps lutté pour concilier la gravité (telle que décrite par la théorie de la relativité générale d'Einstein) avec la mécanique quantique. L’un des principaux points de friction est que, alors que la seconde suppose que l’espace-temps est fixe, la première affirme qu’il change en présence d’objets massifs. Étant donné que les expériences visant à déterminer quelle description est correcte sont extrêmement difficiles à réaliser, une théorie de la gravité quantique reste hors de portée malgré de nombreux efforts théoriques dans des domaines tels que la théorie des cordes et la gravité quantique en boucle.

Expulsion sur le terrain de l'État de Meissner

Dans le nouvel ouvrage, rapporté dans Progrès scientifiques, physicien Tjerk Oosterkamp of Université de Leiden aux Pays-Bas, avec des collègues de Université de Southampton, au Royaume-Uni et en Italie Institut de Photonique et Nanotechnologies, a sondé la frontière entre la gravité et la mécanique quantique en étudiant l’attraction de la gravité sur une particule magnétique d’une masse de seulement 0.43 milligramme – proche de la limite où les effets quantiques commencent à apparaître. Pour réaliser leur étude, ils ont piégé la particule dans un champ magnétique généré par le passage du courant dans des fils qui deviennent supraconducteurs à des températures inférieures à 100 millikelvins. Le « paysage » de champ magnétique qui en résulte fait léviter la particule grâce à un effet supraconducteur bien connu connu sous le nom d'expulsion de champ d'état de Meissner dans lequel le champ résultant des courants dans le supraconducteur s'oppose complètement au champ magnétique de la particule.

Une fois la particule en lévitation, les chercheurs ont mesuré de très petits changements dans le champ magnétique qui se produisent lorsqu’elle se déplace autour de son centre de masse. Ils l’ont fait en utilisant un magnétomètre DC SQUID intégré tout en réglant en permanence la fréquence du potentiel de piégeage magnétique. Cela leur a permis de caractériser l'amplitude du mouvement de la particule en fonction de ces changements de fréquence.

Suppression des vibrations

Les chercheurs ont ensuite créé une perturbation gravitationnelle en faisant tourner une lourde roue juste à l’extérieur du réfrigérateur, ou cryostat, qui contenait l’expérience. La fréquence de rotation de la roue a été réglée pour exciter l’une des fréquences de vibration de la particule en lévitation. Mais avant de pouvoir mesurer les changements dans le mouvement de la particule dus à cette perturbation gravitationnelle, Oosterkamp et ses collègues devaient d'abord s'assurer que d'autres éléments susceptibles de faire bouger la particule, tels que les vibrations provenant du compresseur et des pompes chargées de refroidir le supraconducteur, étaient bien présents. très bien réprimé.

"Cela s'est avéré être le défi le plus urgent de notre expérience", explique Oosterkamp, ​​"mais une fois que nous y sommes parvenus, le mouvement de la particule restante s'est avéré si petit qu'il a été perturbé par la gravité - et nous pourrait réellement mesurer cela.

Repousser les limites

Oosterkamp et ses collègues avaient initialement prévu d'utiliser leur cryostat pour refroidir et exciter un résonateur mécanique. "Nous faisions cela pour essayer de prouver qu'il pouvait se trouver simultanément à deux endroits - un peu comme un électron peut l'être lorsqu'il présente des effets d'interférence passant à travers deux fentes", explique Oosterkamp. « De l’interférence, on déduit que l’électron est une onde et traverse les deux fentes à la fois. Pour notre expérience, qui a encore un long chemin à parcourir, nous avons travaillé sur l’isolation des vibrations pour refroidir un capteur de force afin d’observer le même type d’effet pour un minuscule résonateur mécanique.

Ces premières expériences se sont si bien déroulées, se souvient-il, qu'ils se sont demandé : quelle est la plus petite force qu'ils pouvaient exercer sur la particule dans leur configuration pour démontrer la sensibilité de l'expérience ? « Lorsque nous avons réalisé que les mesures gravimétriques étaient à notre portée, nous étions particulièrement motivés », se souvient Oosterkamp.

L'expérience doit être encore plus sensible

Selon Oosterkamp, ​​la prochaine étape consistera à rapprocher encore davantage les effets gravitationnels et quantiques. "Être capable de mesurer la force gravitationnelle d'une particule qui se trouve à deux endroits à la fois serait très souhaitable, mais nous devons rendre notre expérience encore plus sensible pour ce faire et effectuer des mesures sur des objets plus lourds qui montrent des effets quantiques - comme la superposition et l'enchevêtrement, par exemple », dit-il.

À cette fin, les chercheurs travaillent à remplacer la roue située à l’extérieur de leur cryostat par une roue ou une hélice similaire à l’intérieur. "Au lieu d'une roue avec des blocs de la taille d'un kilogramme et placée à 30 cm du capteur, nous espérons créer des masses en milligrammes sur une hélice située à seulement un centimètre", explique Oosterkamp.

L’équipe tente également d’isoler encore plus les vibrations externes dans son expérience et de rendre son système plus froid. «Ces mesures pourraient multiplier par 100 la sensibilité des mesures», explique Oosterkamp.

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• La source: https://physicsworld.com/a/getting-closer-to-measuring-quantum-gravity/